System sterowania oraz aparatura kontrolno pomiarowa

System sterowania oraz aparatura kontrolno pomiarowa Oczyszczalni
Ścieków Płaszów
Piotr Małka, Marek Frączek – MPWiK S.A. w Krakowie
Oczyszczalnia Ścieków PŁASZÓW powstała w latach 2003-2007. Jest to największy tego
typu obiekt, jaki powstał w południowej Polsce. Powierzchnia, jaką zajmuje obecnie
oczyszczalnia to 50 hektarów, gdzie zbudowano ponad 100 obiektów. Efektem rzeczowym
nowo wybudowanej oczyszczalni jest między innymi zwiększenie przepustowości istniejącej
mechanicznej oczyszczalni ścieków ze 132 tys. m3/d do 656 tys. m3/d, budowa części
biologicznej o przepustowości 328 m3/d jak również budowa nowej nitki przeróbki osadów
ściekowych.
Fot. 1. Oczyszczalnia Ścieków PŁASZÓW
Technologia zaprojektowana i wdrożona w Oczyszczalni PŁASZÓW zalicza się do
najnowocześniejszych w Polsce jak i Europie, dodatkowo spełnia wszystkie normy zarówno
technologiczne jak i procesowe. Zastosowane rozwiązania branży elektrycznej, AKP i
automatyki sterującej oparte są na rozwiązaniach wielu znanych i renomowanych firm
światowych takich jak: WONDERWARE, SIEMENS, MOELLER, HACH-LANGE,
EMERSON – MOBREY, APLISENS, ENDRESS+HAUSER i wiele innych.
System automatyki Oczyszczalni Ścieków PŁASZÓW zbudowany został w oparciu o
warstwy, które pełnią następujące funkcje:
- Pierwsza warstwa obejmuje automatykę i sterowanie poszczególnych urządzeń, jak np.
pomp, mieszadeł, pieców, dmuchaw, napędów jezdnych, krat, piaskowników itd.
Urządzenia na tym poziomie mogą być sterowane w trybie całkowicie ręcznym (z
kontrolą parametrów przez operatora). Niektóre urządzenia posiadają autonomiczną
automatykę niezależną od wyższych warstw sterowania.
- Druga warstwa obejmuje całe grupy urządzeń AKPiA, które stanowią pewien zamknięty
technologicznie układ będący częścią oczyszczalni. Ta warstwa składa się z trzech
dużych systemów automatyki, które dzielą oczyszczalnie na trzy części :
 Część mechaniczną obejmującą: kraty rzadkie, kraty gęste, zasuwy, pompownie I i
II stopnia, pompownie fekalną, piaskowniki, osadniki wstępne, separator piasku

Część biologiczną obejmującą: stację PIX, reaktory biologiczne, osadniki wtórne,
stację dmuchaw, stację metanolu, stacje dezaktywacji, koryto pomiarowe.

Część osadową obejmującą: zagęszczacze osadu wstępnego, zbiornik operacyjny
osadu nadmiernego, układu zagęszczania i odwadniania osadu, pompowni osadu
wstępnego zagęszczonego, komory fermentacji osadu WKF, zbiornika
pośredniego osadu, pompownie i zbiornik podgrzewania osadu, stację
chemicznego usuwania fosforu z cieczy nadosadowej, pompownie osadu po
koagulacyjnego, zbiorniki biogazu, pochodnie, odsiarczalnie biogazu, pompownie
cieczy nadosadowej, pompownie osadu dowożonego, pompownie osadu
wstępnego i flotatu.
W warstwie tej szereg małych sterowników PLC, modułów rozproszonych i innych
ważnych urządzeń jak np. falowników dużych pompowni, skomunikowano poprzez
redundantną sieć światłowodową Profibus ze sterownikami nadrzędnymi każdej części
technologicznej. Ten poziom automatyki i sterowania jest realizowany poprzez trzy „mocne”
jednostki PLC firmy Siemens S7 317 2DP, po jednym dla części mechanicznej, biologicznej i
osadowej. Każdy ze sterowników nadrzędnych posiada własny dotykowy graficzny panel
operatorski, który pozwala operatorowi będącemu na obiekcie szybko zorientować się, jakie
parametry, nastawy i charakterystyki posiada część, przy której się znajduje. Operator może
także dokonywać zmian wszystkich nastaw i parametrów.
-
Trzecia warstwa obejmuje sterowanie i wizualizację oczyszczalni, jako całości. Poziom
ten powstał poprzez połączenie trzech głównych sterowników i sterownika tablicy
synoptycznej dyspozytorni w jeden spójny system obejmujący cały proces
technologiczny oczyszczania ścieków. Komunikacja na tym poziomie odbywa się z
poprzez redundantny ethernetowy ring światłowodowy schemat, którego przedstawiony
został na rys. 1.
TABLICA
SYNOPTYCZNA
STANOWISKO
SERWISOWE
STANOWISKO
OPERATORSKIE
NR 1
KIEROWNIK OŚ
(podgląd)
STANOWISKO
OPERATORSKIE
NR 2
Serwer
OB 207
PC
Drukarka
atramentowa
202NB
PC
TP
PC
Drukarka
laserowa
BUDYNEK
LABORATORIUM
PC
PC
TP
FO
TP
TP
TP
TP
OB 202 - CENTRALNA DYSPOZYTORNIA
PC
(podgląd)
7
7
Redundowany pierścień optyczny
ETHERNET
7
7
4NB
PANEL
OPERATORSKI
OB4
BUDYNEK KRAT
OCZYSZCZANIE
MECHANICZNE
20NB
PANEL
OPERATORSKI
OB20
STACJA
DMUCHAW
OCZYSZCZANIE
BIOLOGICZNE
7
55NB
PANEL
OB51/58
OPERATORSKI BUDYNEK ZAGĘSZCZANIA
I ODWODNIENIA OSADU
GOSPODARKA
OSADOWA
Rys. 1. Budowa ringu światłowodowego do komunikacji ze sterownikami PLC
W warstwie tej sterowniki komunikują się między sobą realizując globalną
automatykę obejmującą cały proces technologiczny. Centralna dyspozytornia (fot.2)
wyposażona została w tablicę synoptyczną i komputerowy system sterowania i wizualizacji
zbudowany w oparciu o Platformę Systemową Wonderware 2.1.
Tablica synoptyczna przedstawia uproszczony schemat technologiczny obrazujący
cały proces technologiczny, stany poszczególnych ważnych elementów są sygnalizowane
przez dwu lub truj kolorowe diody, a wartości pomiarowe takie jak przepływy i poziomy
wyświetlane są poprzez wyświetlacze cyfrowe. Tablica synoptyczna pozwala na całościowe
pobieżne spojrzenie na całą oczyszczalnie niezależnie od komputerowej wizualizacji.
Sercem całego układu sterowania i wizualizacji jest system komputerowy składający
się z dwóch niezależnych dwumonitorowych stacji operatorskich wraz z wizualizacją opartą
na programie wizualizacyjnym Intouch 9.5, jednego serwera pełniącego rolę przemysłowej
bazy danych Wonderware Historiana oraz bazy projektowej obiektów Platformy Systemowej
Wonderware - Galaxy Repository, dwóch stanowisk podglądowych oraz jednego stanowiska
serwisowego.
Fot. 2. Centralna dyspozytornia – tablica synoptyczna oraz stacja operatorska
Ciekawym i bardzo nowoczesnym podejściem do procesu centralnego sterowania i
wizualizacji, dużych i bardzo złożonych układów technologicznych jest podejście obiektowe.
Poprzednie generacje programów wizualizacyjnych charakteryzowały się tym, że każdy
element i jego parametr przedstawiany w sposób graficzny wymagał indywidualnego
podejścia, i indywidualnej jego parametryzacji. Taki stan rzeczy powodował, iż wraz z
rozbudową wizualizowanej instalacji, projekt aplikacji stawał się coraz bardziej
skomplikowany, mniej czytelny i coraz trudniejszy w modyfikacji. Ponadto wcześniejsze
wersje programów wizualizacyjnych do logowania wartości parametrów procesu
technologicznego i generacji trendów historycznych, wykorzystywały własne pliki z
wartościami historycznymi. Powodowało to, że system tworzył zamknięty układ, w którym z
danych procesowych inne systemy i poziomy zarządzania mogły korzystać jedynie gdy
wcześniej zaprojektowano odpowiednie raporty i zestawienia. Korzystanie z danych
historycznych było bardzo mocno utrudnione i niejednokrotnie stawało się niemożliwe, mimo
iż system je posiadał.
Dzięki zastosowaniu obiektowego podejścia do tworzenia wizualizacji (rys. 2)
oczyszczalni PŁASZÓW pogrupowano wszystkie elementy wizualizowane, a jest ich 1244 w
233 szablony tak samo sparametryzowanych obiektów. Po stworzeniu szablonów graficznych
w Intouch 9.5 posiadających parametry szablonów obiektów i podstawieniu konkretnych
elementów w łatwy sposób stworzono wizualizację całej oczyszczalni, dla dwóch stacji
operatorskich i dwóch stanowisk podglądu. Dodatkową zaletą takiego konstruowania
wizualizacji jest to, że po zmianie szablonu konkretnego typu obiektów, informacja o zmianie
konstrukcji propaguje się na wszystkie elementy edytowanego typu, i bez dodatkowej edycji
grafiki automatycznie aktualizowana jest zmiana. Na skutek tego, że dane historyczne
archiwizowane są na serwerze bazy danych Wonderware Historiana będącego nakładką MS
SQL serwera 2005, możliwe jest dokonywanie przy użyciu: ActiveFactory, MS Word, MS
Excel, MS Accessa, i innego mogącego używać zapytań w języku SQL programu, bardzo
skomplikowanych analiz parametrów. Kolejną ciekawą cechą systemu Platformy
Wonderware jest zastosowanie redundancji miedzy stacjami operatorskimi. Układ działa w
ten sposób, że mimo iż te same dane są wyświetlane przez dwie stacje operatorskie i dwie
podglądowe to każdy z głównych sterowników jest pytany przez system tylko raz w jednym
cyklu. Dzieje się tak, ponieważ zawsze tylko jedna z dwóch stacji operatorskich jest
podstawowa dla danego obiektu a druga rezerwowa, na wypadek awarii stacji podstawowej.
Stacje podglądu zawsze korzystają z aktualnych wartości, jakie posiada stacja podstawowa.
Rys. 2. Przykładowa maska obiektu WKF Oczyszczalni
Ważny i ciekawym rozwiązaniem zastosowanym w Oczyszczalni PŁASZÓW jest
pełna diagnostyka i analiza systemu sterowania wraz wizualną prezentacją stanów połączeń
komunikacyjnych, czasu skanów poszczególnych sterowników PLC oraz która w danym
czasie stacja operatorska pełni rolę podstawowej a która rezerwowej. Wizualną prezentację
tych możliwości prezentuje rysunek 3.
Rys. 3. Diagnostyka systemu sterowania Oczyszczalnią
Kolejnym rozwiązaniem wdrożonym w systemie wizualizacji pracy Oczyszczalni Ścieków
PŁASZÓW jest podgląd na wartości napięć, prądów oraz stanów aparatury elektrycznej
wszystkich rozdzielni elektrycznych zarówno ŚN, jak i NN (rys. 4).
Rys. 4. Schemat wizualizowanej rozdzielni elektrycznej
W chwili obecnej system obsługuje prawie 8000 sygnałów i planowana jest jego
rozbudowa. Dodatkowo w 2010 roku oddana zostanie Stacja Termicznej Utylizacji Odpadu,
gdzie zastosowany zostanie także system oparty o Platformę Systemową Wonderware w
wersji 3.1.
Kolejnym elementem wchodzącym w skład sytemu automatyki oczyszczalni jest
aparatura kontrolno-pomiarowa. Tak jak omówiony powyżej system sterowania tutaj również
zastosowano najnowocześniejsze rozwiązania z dziedziny AKP. Patrząc na wielkość systemu
automatyki OŚP trudno wymienić wszystkie firmy, które zainstalowały swoje urządzenia,
jednakże kilka zasługuje na szczególną uwagę ze względu na ilość i zastosowane w nich
nowatorskie rozwiązania. Dla przykładu wymienić tutaj można między innymi optyczne
sondy tlenu, sondy redox oraz nitratax firmy HACH LANGE (rys. 5) służące do kontroli
stanu ścieków w bioreaktorach. Dodatkowym atutem zastosowanej aparatury jest integracja
wszystkich czujników z jednym głównym systemem przetwarzania sygnałów SC1000.
Rys. 5. System pomiarowy firmy HACH LANGE zastosowany w Oczyszczalni Ścieków
Płaszów
Kolejne systemy pomiarowe zastosowane w OŚP to między innymi czujniki i przetwornik
firmy APLISENS, przykłady wielu z nich przedstawione zostały na rys. 6.
Rys. 6. Systemy pomiarowe firmy APLISENS
Firma Siemens tutaj także oprócz sterowników PLC wdrożyła swoją aparaturę AKP, są to
między innymi przepływomierze oraz przetworniki poziomu (rys. 7).
Rys. 7. System pomiarowy firmy SIEMENS
Przedstawiony powyżej opis systemu sterowania AKPiA Oczyszczalni Ścieków
PŁASZÓW jest niewielkim wycinkiem olbrzymiego i bardzo nowoczesnego układu. W
czasie dwuletniej eksploatacji oczyszczalni okazało się, że zainstalowane i wdrożone
rozwiązania są pewnym i skutecznym elementem do prawidłowego funkcjonowania procesu
oczyszczania ścieków.